Nghiên cứu và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
──────── * ───────















ĐỒ ÁN MÔN HỌC

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG
QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG BUỒNG ĐỐT

Sinh viên thực hiện : HOÀNG TIẾN ĐẠT
TRẦN VIẾT VŨ
Lớp : KSCLC – CƠ KHÍ HÀNG KHÔNG – K55
Giáo viên hướng dẫn : TS. NGUYỄN PHÚ KHÁNH
TS. HOÀNG THỊ KIM DUNG










HÀ NỘI 01-2015


PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

1. Thông tin về sinh viên
Họ và tên sinh viên: Hoàng Tiến Đạt
Điện thoại liên lạc: 090 212 2130 Email:

Họ và tên sinh viên: Trần Viết Vũ
Điện thoại liên lạc: 01234 767 444 Email:

Lớp: KSCLC - Cơ khí Hàng không K55 Hệ đào tạo: Chính quy
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Hàng không và Vũ trụ, Viện Cơ khí Động

lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Thời gian làm ĐAMH:
Ngày giao nhiệm vụ: 19 / 08 / 2014
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10 / 01 / 2015
2. Mục đích nội dung của ĐAMH
- Mô phỏng quá trình cháy của than trong lò hơi nhà máy nhiệt điện.
- Mô phỏng sự hình thành các khí thải trong quá trình cháy.
3. Các nhiệm vụ cụ thể của ĐAMH
- Tìm hiểu tổng quan về lò hơi nhà máy nhiệt điện.
- Tìm hiểu lý thuyết về than, quá trình cháy của than và sự hình thành các khí thải.
- Mô phỏng cháy than trong lò hơi, đưa ra các kết quả về phân bố nhiệt độ cháy, vận
tốc dòng hỗn hợp, nồng độ các khí thải.
- So sánh các kết quả thu được khi thay đổi điều kiện than đầu vào.
4. Lời cam đoan của sinh viên:
Chúng tôi – Hoàng Tiến Đạt và Trần Viết Vũ - cam kết ĐAMH là công trình
nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phú Khánh và
TS. Hoàng Thị Kim Dung.
Các kết quả nêu trong ĐAMH là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ
công trình nào khác.




Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2015
Tác giả ĐAMH
Hoàng Tiến Đạt, Trần Viết Vũ
5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐAMH và cho phép bảo
vệ:
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………


Hà Nội, ngày….tháng….năm 2015
Giáo viên hướng dẫn



TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Lò hơi đốt than nhà máy nhiệt điện là một bộ phận quan trọng trong nhà máy nhiệt điện
với chức năng chính là chuyển hóa nhiệt năng từ quá trình đốt cháy than thành dạng nhiệt
năng và động năng của hơi nước để làm quay máy phát điện. Quá trình cháy của hạt than
bên trong lò hơi là quá trình cháy không đồng thể, phức tạp gồm 3 giai đoạn chính: Bốc
hơi, cháy chất bốc, và cháy hạt cốc. Tốc độ của các phản ứng cháy bị chi phối bởi tốc độ
khuếch tán oxi tới bề mặt hạt và tốc độ cháy bề mặt hạt. Nghiên cứu này sử dụng phần
mềm ANSYS CFX 14.5 là công cụ mô phỏng quá trình cháy của than trong lò hơi, từ đó
phân tích các kết quả về phân bố nhiệt độ, vận tốc, khí thải thu được để làm rõ những đặc
điểm của quá trình cháy. Tiếp đến là xem xét những thay đổi trong quá trình cháy khi thay
đổi thông số than đầu vào.
ABSTRACT OF THESIS
A pulverized coal-fired power plant boiler is an industrial boiler that generates thermal
energy by burning pulverized coal that is blown into the firebox. The combustion of coal
particles is a heterogeneous combustion process, including 3 stages: Devolatilization,
combustion of volatiles, char combustion. Rate of reactions is controlled by the diffusion

rate of oxygen to particle surface and the surface reaction rate. ANSYS CFX 14.5 is a
powerful simulation tool that is used in this study. The results received from CFX
including temperature, velocity and NO
x
distributions, would be analyzed in order to carry
out characteristics of the coal combustion process. Three cases of study with three different
coal analysis data would be considered to evaluate changes in the distributions.
M
ỤC LỤC
Lời mở đầu:
Trang
CHƯ
ƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1.1. Vấn đề của ngành nhiệt điện than ở nước ta hiện nay 1
1.1.2. Sơ lược về lò hơi nhà máy nhiện điện 1
1.2. NGHIÊN CỨU CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI 2
1.2.1. Các nghiên cứu trước đây và nhu cầu nghiên cứu hiện nay 2
1.2.2. Nghiên cứu cháy than trong lò hơi ứng dụng mô phỏng số 3
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
2.1. THAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA THAN 4
2.1.1. Than là gì? 4
2.1.2. Các tính chất của than 4
2.2. SỰ CHÁY CỦA THAN 7
2.2.1. Giai đoạn I: Bốc hơi chất bốc 7
2.2.2. Giai đoạn II: Cháy chất bốc 9
2.2.3. Giai đoạn III: Cháy hạt cốc 10
2.3. SỰ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI 13
2.3.1. Ảnh hưởng môi trường của các khí thải 13
2.3.2. Sự hình thành và suy giảm NO

x
15
CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA BÀI TOÁN 20
3.1. QUY TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ BÀI TOÁN CHÁY THAN 20
3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN 21
3.2.1. Xây dựng mô hình hình học 21
3.2.2. Chia lưới mô hình 22
3.2.3. Thiết lập điều kiện bài toán trong ANSYS CFX 22
3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 26
3.3.1. Phân bố nhiệt độ với trường hợp than Hòn Gai 28
3.3.2. Phân bố vận tốc 31
3.3.3. Phân bố các sản phẩm cháy (khí thải) 33
3.3.4. So sánh kết quả với hai trường hợp than nhập khẩu và than trộn 36
CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG 39
4.1. KẾT LUẬN 39
4.2. ĐỊNH HƯỚNG 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO 40


DANH MỤC HÌNH, BẢNG, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ một lò hơi nhà máy nhiệt điện điển hình. 1

Hình 2.1: Mô hình Kobayashi. 8
Hình 2.2: Cơ chế của mô hình lớp biên ổn định, trong đó oxi và cacbon monoxit
khuếch tán tới hạt mà không có phản ứng hóa học. 10

Hình 2.3: Cơ chế mô hình màng kép của quá trình cháy hạt cacbon. 11
Hình 2.4: Các chế độ cháy ứng với nhiệt độ và kích thước hạt than khác nhau. 12
Hình 2.5: Cấu trúc các oxit nitơ. 14

Hình 2.6: Cấu trúc các oxit lưu huỳnh. 14
Hình 2.7: Sự hình thành và cấu trúc muội than. 15
Hình 3.1: Quy trình mô phỏng một bài toán CFD. 20
Hình 3.2: Phạm vi của lò hơi cần mô hình hóa. 21
Hình 3.3: Kích thước mô hình lò hơi theo tỉ lệ 1:1. 21
Hình 3.4: Chia lưới Hex Dominant và các chỉ số chất lượng lưới 22
Hình 3.5: Thiết lập các thông số cho phản ứng bốc hơi chất bốc 24
Hình 3.6: Thiết lập các thông số cho phản ứng cháy chất bốc 24
Hình 3.7: Các giá trị thiết lập cho tốc độ cháy bề mặt và tốc độ khuếch tán khí oxi 25
Hình 3.8: Hướng phun khí và than tại các miệng vòi phun. 25
Hình 3.9: Vị trí ra của dòng hỗn hợp sau cháy. 26
Hình 3.10: Đồ thị hội tụ lời giải các phương trình của bài toán. 27
Hình 3.11: Hệ tọa độ sử dụng trong phân tích kết quả. 27
Hình 3.12: Vùng buồng đốt giới hạn bởi hai mặt cắt Z = 3 m và Z = 15 m la khu
vực cần quan tâm nhất 28

Hình 3.13: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt giữa lò (Y=3.95 m). 28
Hình 3.14: Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt trong vùng buồng đốt. 29
Hình 3.15: Quỹ đạo chuyển động của các hạt than bên trong lò. 30
Hình 3.16: Đường dòng vận tốc của dòng khí trong lò và tại mặt cắt Z = 8 m. 31
Hình 3.17: Phân bố vận tốc góc của dòng khí tại 3 mặt cắt qua vị trí các vòi phun. 31
Hình 3.18: Phân bố vận tốc theo phương Z tại 4 mặt cắt. 31
Hình 3.19: Phân bố nồng độ khí CO2 tại mặt cắt giữa lò. 33
Hình 3.20: Phân bố nồng độ mol khí CO2 tại các mặt cắt. 33
Hình 3.21: Nồng độ mol NO tại mặt cắt giữa lò (hình a) và mặt cắt đầu ra (hình b) 34
Hình 3.22: Phân bố nhiệt độ và nồng độ NO. 34
Hình 3.23: Phân bố Nồng độ mol NO tại các mặt cắt trong vùng buồng đốt. 35
Hình 3.24: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt giữa lò của 3 trường hợp than. 37
Hình 3.25: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt Z = 8 m của 3 trường hợp than. 37

Bảng 2.1: Hàm lượng các thành phần trong than Hòn Gai. 5
Bảng 2.2: Nhiệt lượng cháy của một số hiđrocacbon, xem Eugene S. Domanski [2]. 9
Bảng 3.1: Thành phần cấu tạo của ba loại than: than Hòn Gai, than nhập khẩu và
than trộn 23

Bảng 3.2: Nhiệt độ trung bình tại các mặt cắt ngang của ba trường hợp than. 38

Đồ thị 3.1: Nhiệt độ trung bình tại các mặt cắt ngang. 30
Đồ thị 3.2: Phân bố vận tốc góc tại các mặt cắt. 32
Đồ thị 3.3: Nồng độ NO trung bình tại các mặt cắt ngang. 36
Đồ thị 3.4: Nhiệt độ trung bình trong vùng buồng đốt của ba trường hợp than. 38




LỜI MỞ ĐẦU
Trong giai đoạn công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước hiện nay, ngành năng

lượng ngày càng chiếm một vai trò quan trọng. Các nhà máy sản xuất điện đang

được xây dựng khắp nơi trên mọi miền của Tổ quốc để đáp ứng cho nhu cầu phát

triển hiện nay và trong vài năm tới. Chúng ta hiện đang có các nhà máy thủy điện,

nhiệt điện than và nhiệt điện khí, với tổng sản lượng điện hằng năm đạt hàng trăm tỉ

kilôoat-giờ (kWh) điện nhưng vẫn chưa đủ cung cấp cho nhu cầu trong nước, đặc

biệt là những tháng cao điểm mùa hè. Nhà nước đã đầu tư xây dựng hai nhà máy

điện nguyên tử đầu tiên tại Ninh Thuận nhưng các dự án này còn phải chờ tới năm
2020

mới có thể hoàn thành và đi vào sản xuất. Do vậy, trong vài năm tới, để đủ
điện sử

dụng, nước ta sẽ phải xây thêm nhiều nhà máy điện mới, mà trong số đó,
các nhà

máy nhiệt điện than sẽ chiếm đa số.
Nước ta có nguồn tài nguyên than ở mức độ trung bình và lượng khai thác được

hàng năm đáp ứng đủ cho nhu cầu trong nước. Tuy nhiên hiện nay ta đang phải

nhập khẩu than do chất lượng nguồn than nội bị giảm sút. Điều này gây ra sự lãng

phí lớn cho đất nước khi không thể sử dụng hiệu quả được nguồn tài nguyên sẵn có.

Nhận thấy sự lãng phí này có thể được hạn chế, những trí thức trong nước đang

ngày đêm nghiên cứu tìm ra giải pháp cho bài toán than nội địa. Chúng tôi, Hoàng

Tiến Đạt và Trần Viết Vũ, thấy rằng bản thân mình cũng có thể tham gia đóng góp

vào công việc cần thiết này. Do vậy chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu về cháy

than, với mong muốn những kết quả thu được sẽ có những giá trị nhất định cho
công cuộc nghiên cứu.
Trong thời gian t
hực hiện đề tài, chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận

tình của TS. Nguyễn Phú Khánh và TS. Hoàng Thị Kim Dung cùng những

nhân
viên thuộc Viện Nghiên cứu Quốc tế về Khoa học và Kĩ thuật Tính toán,

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài này.
Hà Nội, 01/2015

Hoàng Tiến Đạt và Trần Viết Vũ
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆT ĐIỆN THAN
1.1.1. Vấn đề của ngành nhiệt điện than ở nước ta hiện nay
Ngành năng lượng ở nước ta đang phát triển mạnh mẽ do nhu cầu năng lượng
của đất nước trong giai đoạn công nghiệp hóa – hiện đại hóa đang tăng mạnh. Trong
cơ cấu các nguồn cung năng lượng thì nhiệt điện được định hướng sẽ là nguồn cung
chủ yếu cho toàn bộ đất nước, trong đó nhiệt điện than chiếm đa số. Hiện nay nhiệt
điện than đang chiếm khoảng 17% tổng công suất cung cấp điện của cả nước (số
liệu năm 2012). Dự kiến tới năm 2020, con số này sẽ tăng lên 48% và 51.6% vào
năm 2030. Với nhu cầu rất lớn điện năng cần thiết cho giai đoạn sắp tới, lượng than
dự kiến cần thiết cho nhiệt điện cũng rất lớn. Tuy nhiên lượng than khai thác được

hiện nay chưa đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ và nước ta đang phải nhập khẩu than từ
nước ngoài. Các bể than lớn như bể than Quảng Ninh đã khai thác từ lâu và mức
khai thác hiện đã đạt tới hạn cho phép. Chất lượng than cũng không còn tốt như
trước, hàm lượng than kém chất lượng tăng lên, không đáp ứng được tiêu chuẩn sử
dụng. Vấn đề đặt ra hiện nay là cần tận dụng được nguồn than kém chất lượng trong
nước, hạn chế nhập khẩu than nước ngoài có giá thành cao. Đây là một công việc
quan trọng đang được tập trung nghiên cứu vì nếu thực hiện thành công sẽ giúp tiết
kiệm lớn cho đất nước.

1.1.2. Sơ lược về lò hơi nhà máy nhiện điện

Hình 1.1: Sơ đồ một lò hơi nhà máy nhiệt điện điển hình.
1

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

Lò hơi (boiler) nhà máy nhiệt điện là một bộ phận quan trọng của nhà máy nhiệt
điện, có chức năng chính là chuyển hóa năng lượng cháy của nhiên liệu thành nhiệt
năng và động năng của hơi nước (steam) để làm quay tuabin phát điện. Lò hơi
thường có dạng hình học giống chữ Π, với chiều cao lớn, mỗi nhánh có dạng trụ
vuông. Hình 1.1 mô tả một sơ đồ lò hơi điển hình.
Về cấu tạo, bên trong lò hơi là hệ thống các dàn ống trao đổi nhiệt nằm trên đỉnh
lò, nhánh bên phải lò và dọc trên thành nhánh, có tác dụng lấy nhiệt từ hỗn hợp
cháy làm bốc hơi nước (đun sôi) và chuyển hóa thành nhiệt năng của hơi nước. Hơi
nước sau khi đã tích đủ lượng nhiệt cần thiết (hơi nước nhiệt độ cao) sẽ được đưa
tới tuabin phát điện. Sau khi đã trao đổi năng lượng với tuabin, lượng hơi nước còn
lại (hơi nước nhiệt độ thấp) sẽ được đưa trở lại buồng đốt để tiếp tục lấy nhiệt, tạo
thành một chu trình khép kín. Nhánh bên trái là khu vực buồng đốt. Trên thành
buồng đốt có các cụm vòi phun để đưa nhiên liệu và không khí vào lò, ở đây ta quan
tâm tới nhiên liệu là than. Tùy theo cách bố trí mà các cụm vòi phun có thể nằm tại

4 góc hoặc nằm trên các thành. Trên mỗi cụm vòi phun gồm nhiều miệng phun, để
phun hỗn hợp than – khí và đưa không khí vào lò để đảm bảo điều kiện cháy.
Về nhiên liệu than, đây là loại nhiên liệu được dùng chủ yếu trong nhiệt điện. Để
tăng hiệu quả cháy, than được nghiền nhỏ thành dạng bột trước khi đưa vào lò, kích
thước hạt than sau nghiền cỡ 10
-4
– 10
-5
m. Người ta đưa than vào lò bằng cách
phun khí có trộn lẫn bột than ở vận tốc cỡ 10 – 20 m/s. Hỗn hợp than và khí được
làm nóng tới nhiệt độ 200

– 300
o
C trước khi phun, giúp than bắt cháy nhanh và tốt
hơn.

1.2. NGHIÊN CỨU CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI
1.2.1. Các nghiên cứu trước đây và nhu cầu nghiên cứu hiện nay
Nhu cầu cải tiến lò hơi nhằm nâng cao hiệu suất lò đặt ra vào năm 1991 đối với
Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình do hiệu suất các lò hơi của nhà máy thấp vì chất
lượng than không tốt. Đề tài cải tiến được đưa ra, có sự tham gia nghiên cứu của
Khoa Nhiệt – Lạnh, nay là Viện Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội và Bộ Năng lượng trước đây, nay là Bộ Công Thương. Nghiên cứu
được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm đã tìm ra rằng than dùng trong lò
hơi có hàm lượng chất bốc thấp làm giảm hiệu suất cháy của than, và thay đổi chế
độ phun có thể giúp cải thiện điều này. Căn cứ vào các kết quả thu được, Nhà máy
Nhiệt điện Ninh Bình đã hợp tác với tập đoàn Mitsubishi Nhật Bản thay thế các
cụm vòi phun cũ bằng cụm vòi mới đã được cải tiến, nhờ đó đã nâng cao hiệu suất
đốt của lò lên hơn 5%.

Hiện nay chất lượng nguồn than tiếp tục giảm do các mỏ than đã khai thác từ lâu,
nước ta đang phải nhập khẩu than từ nước ngoài để đáp ứng nhu cầu trong nước. Do
đó nghiên cứu tận dụng tối đa nguồn than trong nước để hạn chế phải nhập than
nước ngoài là việc làm cần thiết nhằm tiết kiệm cho đất nước. Một giải pháp được
2

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

đặt ra là trộn lẫn than chất lượng thấp trong nước với loại than nhập khẩu phù hợp,
với một tỉ lệ thích hợp để sử dụng cho lò hơi. Vấn đề là chọn loại than nước ngoài
nào và trộn với tỉ lệ bao nhiêu thì sẽ cho hiệu quả tốt nhất? Đây chính là hướng
chính cần nghiên cứu. Nhưng hiện nay khó áp dụng phương pháp nghiên cứu bằng
thực nghiệm như trước đây do chi phí thực hiện tốn kém. Trước đây để phục vụ
việc nghiên cứu Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình phải dừng sản xuất điện cả một lò
hơi. Ở Việt Nam hiện cũng chưa có mô hình lò hơi thu nhỏ dùng để nghiên cứu,
chưa kể tới các thiết bị đi kèm cũng như lượng than cần sử dụng cho thử nghiệm
cũng rất tốn kém. Tuy nhiên có một hướng đi mới cho nghiên cứu cháy than đó
chính là sử dụng công cụ mô phỏng số. Hướng nghiên cứu này trên thế giới đã khá
phổ biến tuy nhiên ở Việt Nam đây là một điều hoàn toàn mới.

1.2.2. Nghiên cứu cháy than trong lò hơi ứng dụng mô phỏng số
Mô phỏng số là một công cụ đang được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành
khoa học hiện nay do các ưu điểm mạnh mẽ của nó so với phương pháp nghiên cứu
thực nghiệm truyền thống. Trên thế giới, ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu
cháy than đã có từ lâu, với các công cụ phổ biến như MATLAB, ANSYS FLUENT,
ANSYS CFX. Tuy nhiên ở Việt Nam, mô phỏng số nói chung còn chưa phổ biến,
đặc biệt ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu cháy than thì chưa từng được thực
hiện trước đây. Do vậy đề tài: “ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ NGHIÊN CỨU QUÁ
TRÌNH CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN” hy vọng sẽ là
nghiên cứu tiên phong mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu cháy than ở nước ta.

Trong nghiên cứu này sử dụng phần mềm ANSYS CFX 14.5, là một công cụ mô
phỏng số rất mạnh hiện nay. Quy trình mô phỏng một bài toán gồm các bước sau:
- Xây dựng mô hình hình học của bài toán.
- Chia lưới mô hình.
- Thiết lập các điều kiện của bài toán và chạy giải.
- Xử lý và phân tích kết quả mô phỏng.
3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. THAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA THAN
2.1.1. Than là gì?
Than đá, hay than (để phân biệt với than củi) là một loại nhiên liệu hóa thạch
được hình thành ở các hệ sinh thái đầm lầy nơi xác thực vật được nước và bùn lưu
giữ không bị ôxi hóa và phân hủy bởi sinh vật (biodegradation). Thành phần chính
của than đá là cacbon, ngoài ra còn có các nguyên tố khác như hiđro, lưu huỳnh,
nitơ. Than, là sản phẩm của quá trình biến chất, là các lớp đá có màu đen hoặc đen
nâu có thể đốt cháy được. Than là nguồn nhiên liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế
giới, cũng như là nguồn thải khí carbon dioxide lớn nhất, được xem là nguyên nhân
hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu. Than được khai thác từ các mỏ than
lộ thiên hoặc dưới lòng đất (hầm lò).
Than sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Trước đây, than dùng làm nhiên
liệu cho máy hơi nước, đầu máy xe lửa. Sau đó, than làm nhiên liệu cho nhà máy
nhiệt điện, ngành luyện kim. Gần đây than còn dùng cho ngành hóa học tạo ra các
sản phẩm như dược phẩm, chất dẻo, sợi nhân tạo. Than chì dùng làm điện cực.
Ngoài ra than còn được dùng nhiều trong việc sưởi ấm từ xa xưa nhưng khi cháy
chúng tỏa ra rất nhiều khí CO có thể gây ngộ độc nên cần sử dụng trong các lò sưởi
chuyên dụng có ống khói dẫn ra ngoài cũng như có các biện pháp an toàn khi sử

dụng chúng.
Than có tính chất hấp thụ các chất độc vì thế người ta gọi là than hấp thụ hoặc là
than hoạt tính có khả năng giữ trên bề mặt các chất khí, chất hơi, chất tan trong
dung dịch. Dùng nhiều trong việc máy lọc nước, làm trắng đường, mặt nạ phòng
độc
Trữ lượng than của cả thế giới vẫn còn cao so với các nguyên liệu năng lượng
khác (dầu mỏ, khí đốt ) và được khai thác nhiều nhất ở Bắc bán cầu, trong đó 4/5
thuộc các nước sau: Hoa Kì, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Úc, Đức, Ba Lan, Canada.
Tổng sản lượng than khai thác là 5 tỉ tấn/năm.
Tại Việt Nam, có rất nhiều mỏ than tập trung nhiều nhất ở các tỉnh phía Bắc nhất
là tỉnh Quảng Ninh, mỗi năm khai thác khoảng 15 đến 20 triệu tấn. Than được khai
thác lộ thiên là chính còn lại là khai thác hầm lò.

2.1.2. Các tính chất của than
2.1.2.1. Thành phần cấu tạo và phân tích than
Than được cấu tạo từ bốn thành phần sau: cacbon cố định, chất bốc, độ ẩm và xỉ.
- Cacbon cố định (fixed carbon): Là thành phần chiếm chủ yếu trong than, cấu
tạo từ nguyên tố cacbon. Cốc là thành phần tạo ra nhiệt lượng chính trong quá trình
cháy của hạt than.
4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- Chất bốc (volatiles): Còn được gọi là khí than, là các chất khí nằm trong hạt
than với thành phần chủ yếu là khí hiđrocacbon C
x
H
y
. Chất bốc thoát ra khỏi than
và bốc cháy trong giai đoạn đầu của quá trình cháy khi hạt than bị nung nóng.
Chính sự cháy của chất bốc tạo ra nhiệt độ cao để khởi động quá trình cháy của cốc,

là hạt còn lại sau quá trình bốc hơi chất bốc, thành phần gồm cacbon cố dịnh và xỉ.
Hàm lượng chất bốc trong than có một vai trò quan trọng, tác động trực tiếp tới sự
hình thành và sự ổn định của ngọn lửa cháy.
- Độ ẩm (moisture): Là hàm lượng nước có trong than. Theo kinh nghiệm thực tế
thì than có một chút ẩm sẽ cháy tốt hơn.
- Xỉ (ash): Là thành phần không có khả năng cháy, cấu tạo chủ yếu từ các oxit
kim loại như Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
, MgO, SiO
2
,… Hàm lượng xỉ là một chỉ số để đánh giá
chất lượng than. Than có hàm lượng xỉ càng cao thì càng kém chất lượng.
Trừ thành phần xỉ thì các nguyên tố có trong than là: C, H, O, N, S.
Người ta phân tích than theo hai cách là phân tích theo tỉ lệ khối lượng (%) của
các thành phần cấu tạo (phân tích xấp xỉ): cốc, chất bốc, độ ẩm, xỉ và phân tích theo
hàm lượng (%) các nguyên tố (phân tích chính xác): C, H, O, N, S. Mỗi cách phân
tích lại phân ra thành phân tích AR (as received) và phân tích DAF (dry ash free):
- Phân tích xấp xỉ (proximate analysis):
• AR : 1 = Xỉ + Độ ẩm + Cốc + Chất bốc
• DAF : 1 = Cốc + Chất bốc
- Phân tích c
hính xác (ultimate analysis):
• AR : 1 = Xỉ + Độ ẩm + C + H + O + N + S
• DAF : 1 = C + H + O + N + S

Cả hai cách phân tích xấp xỉ và chính xác đều được sử dụng khi phân tích một loại
than. Ví dụ với loại than Hòn Gai sẽ dùng để nghiên cứu trong bài này thì các phân
tích của than như bảng 2.1.
Phân tích xấp xỉ (%)
Phân tích chính xác (%)
Cacbon
cố định
Chất
bốc
Xỉ
Độ
ẩm
C H O N S
AR
60.92
7.37
25.33
6.38
61.5
2.32
2.81
1.04
0.62
DAF
89.21
10.79
-
-
90.06
3.4

4.11
1.52
0.91
Bảng 2.1: Hàm lượng các thành phần trong than Hòn Gai.
2.1.2.2.
Các tính chất của than liên quan tới quá trình cháy
- Nhiệt trị của than: Nhiệt trị, hay năng suất tỏa nhiệt, là nhiệt lượng sinh ra khi
đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu, thường lấy bằng 1 kg. Có hai
loại nhiệt trị là nhiệt trị cao (Higher Heating Value – HHV) và nhiệt trị thấp hay
nhiệt trị thực (Lower Heating Value – LHV/Net Calorific Value – NCV).
• Nhiệt trị cao (HHV): Được hiểu là tổng nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn
toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu, có tính tới nhiệt lượng đã làm nóng và hóa
5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

hơi các chất lỏng có trong quá trình cháy, thường là thành phần nước có trong
nhiên liệu.
• Nhiệt trị thấp/thực (LHV/NCV): Là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn
toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu mà không tính tới nhiệt lượng đã làm nóng
và hóa hơi các chất lỏng có trong quá trình cháy.
Đối với cháy than người ta sử dụng giá trị nhiệt trị thực do đây mới là giá trị nhiệt
lượng có ích; nhiệt lượng để làm nóng và hóa hơi thành phần nước nước có trong
than là nhiệt lượng lãng phí.
- Phân bố kích thước hạt than: Than được nghiền thành dạng bột trước khi đưa
vào lò đốt nhằm tăng hiệu quả cháy. Kích thước hạt than sau nghiền càng nhỏ thì
tốc độ cháy càng nhanh và than càng nhanh cháy hết. Do các hạt than sau nghiền có
kích thước không đồng đều mà nằm trong một khoảng giữa giá trị lớn nhất và nhỏ
nhất nên người ta đưa ra một hàm phân bố kích thước hoặc một dãy các giá trị kích
thước có tổng xác suất phân bố xấp xỉ 1. Hàm phân bố Rosin-Rammler là một hàm
phân bố được sử dụng rỗng rãi:

63.2
()1
D
D
PD e
α

−


= −
(2.1)
trong đó,
• D là kích thước hạt.
• D
63.2
là kích thước hạt có xác suất phân bố là 0.632 (xác định từ thực nghiệm).
• α là hệ số mở rộng phân bố (xác định từ thực nghiệm).
• P(D) là xác suất hạt có kích thước D.

6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2. SỰ CHÁY CỦA THAN
Cháy than là sự cháy không đồng thể, với than ở dạng hạt rắn và chất oxi hóa là
khí oxi có trong không khí. Quá trình cháy của than phức tạp gồm nhiều giai đoạn
và có nhiều phản ứng xảy ra. Có thể phân quá trình này thành 3 giai đoạn chính theo
thứ tự xảy ra như sau:

- Giai đoạn I: Các hạt than được nung nóng, chất bốc và hơi nước thoát ra khỏi
than.
- Giai đoạn II: Chất bốc bốc cháy tạo nhiệt độ cao để khởi động sự cháy của
thành phần cốc.
- Giai đoạn III: Thành phần cốc cháy.

2.2.1. Giai đoạn I: Bốc hơi chất bốc
Trong giai đoạn này, đầu tiên than nóng lên và thành phần nước trong than bốc
hơi trước. Sự bốc hơi nước diễn ra nhanh do nước có hàm lượng nhỏ và nhiệt độ sôi
thấp (100
o
C) so với nhiệt độ trong lò. Tiếp đó là quá trình bốc hơi của chất bốc, đây
là quá trình chi phối trong giai đoạn I. Phương trình phản ứng của quá trình này có
thể được viết như sau:
Than
o
t
 →
Cốc + Chất bốc (2.2)
Quá trình bốc hơi chất bốc là quá trình thoát ra của thành phần chất bốc khi than
bị đốt nóng. Đây là một đặc điểm quan trọng của quá trình cháy của than. Chất bốc
ở dạng khí cháy nhanh hơn nhiều so với hạt cốc còn lại và do đó nó có vai trò quan
trọng tạo ra sự khởi đầu và ổn định ngọn lửa, và quan trọng trong hình thành các
oxit của nitơ (NO
x
), là các khí thải gây ô nhiễm. Hơn nữa, quá trình bốc hơi này sẽ
xác định lượng cốc còn lại bị đốt cháy cũng như các đặc tính vật lý của cốc sinh ra,
với những tác động đến sau lên tính chất cháy của cốc. Các loại than khác nhau có
hàm lượng chất bốc khác nhau, tối đa có thể chiếm tới 50% khối lượng của than.
Bản chất của quá trình bốc hơi chất bốc là sự phá vỡ các liên kết yếu trong cấu

trúc phân tử của than. Số lượng chất bốc thoát ra và cấu trúc hóa học của nó phụ
thuộc vào nhiệt độ và tốc độ nóng lên của hạt than; kích thước hạt và cấu trúc hóa
học của than, trong đó tốc độ làm nóng hạt có ảnh hưởng mạnh nhất.
Với tầm quan trọng của quá trình bốc hơi tới sự cháy của hạt rắn và tính phức tạp
của các quá trình vật lý và hóa học khi bốc hơi, nhiều mô hình đã được phát triển để
mô tả tốc độ bốc hơi của chất bốc từ than. Các mô hình đơn giản nhất dùng tốc độ
Arrhenius đơn hoặc đa. Mô hình tốc độ Arrhenius đơn (single Arrhenius rate
model) giả thiết rằng tốc độ bốc hơi phụ thuộc bậc nhất vào hàm lượng chất bốc còn
lại trong hạt than:

/
()
E RT
dV
kV V
dt
k Be
∞
−
= −
=
(2.3)
7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Đồng nhất phương trình (2.3) với dữ liệu thực nghiệm tìm ra được năng lượng hoạt
hóa hiệu dụng khoảng 230 kJ/mol, phù hợp với năng lượng hoạt hóa để phá vỡ các
liên kết yếu trong phân tử than.
Cách tiếp cận tốc độ đơn định nghĩa theo (2.3) phù hợp với tốc độ bốc hơi ở vùng

nhiệt độ cao, nhưng không xét tới được sự thay đổi lượng chất bốc thoát ra theo
hàm của nhiệt độ. Để làm được điều này, Kobayashi và các cộng sự đã đề xuất mô
hình hai phản ứng đồng thời, với năng lượng hoạt hóa và lượng chất bốc tạo ra của
mỗi phản ứng khác nhau. Mô hình này được gọi là mô hình Kobayashi. Cơ chế của
nó được mô tả như hình 2.1:

Hình 2.1: Mô hình Kobayashi.
Với
12
//
11 2 2
,
E RT E RT
k Be k Be
−−
= =
, và V
1
, V
2
là lượng chất bốc tạo ra ở mỗi phản ứng.
Với mô hình này, tốc độ bay hơi tức thời bằng tổng hai tốc độ k
1
và k
2
:

12
11 2 2
()

()
dc
k kc
dt
dV
Vk Vk c
dt
=−+
= +
(2.4)
Với c là khối lượng hạt than còn lại trong quá trình bốc hơi.
Một cách tiếp cận khác được biết đến là mô hình năng lượng hoạt hóa được phân
bố (Distributed Activation Energy Model – DAEM). Mô hình này công nhận rằng
sự bốc hơi xảy ra thông qua nhiều phản ứng đồng thời. Để biểu diễn quá trình này
theo dạng toán học, tất cả các phản ứng được coi là bậc nhất và có thể được miêu tả
bởi một phân bố liên tục của các tốc độ động học với một hệ số chung và một hàm
phân bố đã xác định của năng lượng hoạt hóa.

00
exp () ()
t
VV
k E dt f E dE
V
∞
∞
∞

−
= −



∫∫
(2.5)
Nếu một phân bố Gauss được sử dụng cho năng lượng hoạt hóa, hàm phân bố có
dạng:

22
0
1/2
exp ( ) / 2
()
(2 )
EE
fE
σ
σπ

−−

=
(2.6)
và phân bố của tốc độ động học được mô tả bởi một độ lệch trung bình và độ lệch
chuẩn của năng lượng động học, do vậy chỉ một tham số bổ sung được đưa vào liên
hệ tới cách tiếp cận đơn giản nhất của việc sử dụng tốc độ Arrhenius đơn.
8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.2. Giai đoạn II: Cháy chất bốc

Trong giai đoạn này, chất bốc sinh ra từ giai đoạn I sẽ bốc cháy khi nhiệt độ đạt
trên 500
o
C. Vì thành phần chính của chất bốc là các khí hiđrocacbon C
x
H
y
nên
phương trình cháy của chất bốc có thể được viết như sau:

2 22
42
o
t
xy
yy
C H x O xCO H O

+ +  → +


(2.7)
Nhiệt lượng sinh ra của quá trình phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất bốc.
Bảng 2.2 trình bày một số khí hiđrocacbon và nhiệt lượng sinh ra khi cháy của
chúng.
Công thức hóa học
Tên gọi
Nhiệt lượng cháy (kJ/mol)
CH
4

Methane
891.5901
C
2
H
2
Acetylene
1301.4559
C
2
H
4
Ethylene
1412.9937
C
2
H
6
Ethane
1562.0739
C
3
H
8
Propane
2223.0883
C
4
H
10

n-Butane
2881.3792
Bảng 2.2: Nhiệt lượng cháy của một số hiđrocacbon, xem Eugene S. Domanski [2].
Tốc độ của phản ứng (2.7) là nhanh hơn nhiều so với tốc độ khuếch tán của khí
O
2
, do vậy tốc độ của quá trình cháy phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán khí O
2
tới
vùng khí hiđrocacbon. Từ giả thiết này, ta có thể sử dụng mô hình xoáy – phân tán
(Eddy – Dissipation Model) để mô hình hóa quá trình cháy chất bốc. Theo mô hình
này, tốc độ phản ứng thực của chất I trong phản ứng thứ k, R
k
, trong chuỗi phản ứng
là biểu thức có giá trị nhỏ hơn trong hai biểu thức dưới đây:

[]
min
k
kI
I
RA
kv
ε

=

′

(2.8)

()
I
P
k
kI I
P
IW
R AB
k vW
ε

=


′′

∑
∑
(2.9)
Trong đó:
[I] là nồng độ mol của chất phản ứng I.
(I) là nồng độ mol của chất sản phẩm I.
W
I
là khối lượng mol của chất I.

v'
kI
là hệ số tỉ lượng của chất phản ứng I trong phản ứng k.

v”
kI
là hệ số tỉ lượng của chất sản phẩm I trong phản ứng k.
P
∑
là lấy tổng theo tổng số các chất sản phẩm P.
ε, k lần lượt là tốc độ phân tán và động năng rối (Dissipation Rate, Turbulent
Kinetic Energy – TKE).
A, B là các hằng số thực nghiệm. Thông thường A = 4 và B = 0.5.
9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Từ đó tốc độ xảy ra của toàn bộ quá trình đối với chất I sẽ là:

1
()
K
I I kI kI k
k
S W v vR
=
′′ ′
= −
∑
(2.10)
2.2.3. Giai đoạn III: Cháy hạt cốc
Sau khi trải qua 2 giai đoạn trên, hạt còn lại lúc này là hạt cốc với thành phần
gồm cacbon cố định và xỉ, trong đó thành phần xỉ không tham gia vào quá trình
cháy. Sự cháy hạt cốc là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiệt đô xung quanh

hạt và kích thước của hạt. Nếu nhiệt độ cao và kích thước hạt nhỏ thì quá trình cháy
sẽ sinh ra chủ yếu là khí cacbon monoxit CO. Nếu nhiệt độ cao và kích thước hạt
lớn hơn thì sẽ có nhiều khí CO
2
được sinh ra. Phân tích dưới đây coi toàn bộ hạt cốc
là cacbon.
Hệ số tỉ lượng thích hợp cho phản ứng oxi hóa cacbon thực sự không rõ ràng, vì
có hai trạng thái oxi hóa khác nhau của cacbon là cacbon monoxit CO và cacbon
đioxit CO
2
đều có thể xuất hiện khi bề mặt hạt cacbon bị oxi hóa.

2
22
o
t
C O CO+  →
(ΔH = -110 kJ/mol C) (2.11)

22
o
t
C O CO+  →
(ΔH = -394 kJ/mol C) (2.12)
Sự khác biệt lớn ở lượng nhiệt năng sinh ra của hai phản ứng này và hai điểm khác
biệt trong tốc độ khí hóa cacbon trên 1 mol oxi phản ứng là vấn đề cần xem xét để
hiểu đúng về phản ứng oxi hóa cacbon. Nhiều thí nghiệm đã được tiến hành để cố
gắng làm rõ các phản ứng này. Qua các thí nghiệm người ta tìm ra rằng lượng CO
2

sinh ra từ oxi hóa trực tiếp cacbon chỉ đáng kể khi ở nhiệt độ tương đối thấp so với
nhiệt độ cháy, và có thể giả thiết rằng ở nhiệt độ cháy chỉ có CO được sinh ra.
Trong trường hợp đơn giản nhất, có thể giả thiết thêm rằng CO sinh ra sẽ khuếch
tán ra ngoài mà không phản ứng thêm nữa, thường gọi là mô hình lớp biên ổn định
như được minh họa trong hình 2.1:


Hình 2.2: Cơ chế của mô hình lớp biên ổn định, trong đó oxi và cacbon monoxit
khuếch tán tới hạt mà không có phản ứng hóa học.
10

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thực tế nếu nhiệt độ đủ cao (trên 1000 K) và hạt đủ lớn, khí CO sẽ bị oxi hóa thành
CO
2
ở vùng lớp biên này:

22
22
o
t
CO O CO+  →
(ΔH = -283 kJ/mol C) (2.13)
Khi đó, lượng oxi đến bề mặt hạt sẽ bị giảm xuống vì một phần đã bị dùng để oxi
hóa CO, và CO
2
trở thành chất oxi hóa cacbon theo phản ứng Boudouard:

2

2
o
t
C CO CO
+  →
(ΔH = +172 kJ/mol C) (2.14)
Như vậy khi gặp đủ điều kiện thì hạt cacbon sẽ bị oxi hóa theo một mô hình màng
kép (double-film model) với hàm lượng các chất được minh họa theo hình vẽ dưới
đây.

Hình 2.3: Cơ chế mô hình màng kép của quá trình cháy hạt cacbon.
Cacbon đioxit oxi hóa cacbon với tốc độ chậm hơn đáng kể so với oxi tại cùng nhiệt
độ cháy. Kết quả là sự chuyển tiếp từ cháy kiểu màng đơn sang kiểu màng kép tạo
ra sự giảm tốc độ oxi hóa cacbon.
Trong phản ứng oxi hóa hạt cacbon dạng rắn tạo ra khí CO (bởi O
2
hoặc CO
2
),
hai mol khí CO được tạo ra từ một mol khí chất phản ứng, lượng khí sinh ra nhiều
hơn lượng khí phản ứng nên hình thành một dòng chất khí chảy ra xa bề mặt của
hạt. Dòng chảy này có tên là dòng Stefan, nó làm giảm tốc độ truyền nhiệt và khối
lượng từ lớp biên tới bề mặt hạt. Như vậy để mô hình hóa chính xác quá trình oxi
hóa cacbon cần tính tới ảnh hưởng của dòng Stefan làm giảm tốc độ khuếch tán oxi
tới bề mặt hạt.
Sự xuất hiện của các lỗ tổ ong trong hạt cốc cho phép các chất oxi hóa đi sâu vào
bên trong hạt và do đó làm tăng diện tích tiếp xúc cho các phản ứng lên đáng kể.
Các hạt cốc thường có tỉ lệ xốp lớn hơn 0.3, phụ thuộc vào lượng chất bốc có trong
hạt than ban đầu và sự nở ra hay co lại của hạt trong quá trình bốc hơi. Diện tích bề
mặt bên trong của hạt cốc thường trên 100 m

2
/g. Với khối lượng riêng của cốc
11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

thường là 0.8 g/cm
2
, ta có thể chỉ ra rằng diện tích mặt trong lớn hơn diện tích mặt
ngoài của một hạt khoảng 10 lần trên 10 μm (đường kính) hạt, 1000 lần trên 100 μm
hạt và 10000 lần trên 1 mm hạt.
Tốc độ của phản ứng cháy hạt cốc cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và kích thước của
hạt. Hình 2.3 mô tả ba chế độ cháy khác nhau:


Hình 2.4: Các chế độ cháy ứng với nhiệt độ và kích thước hạt than khác nhau.

- Zone I – Chế độ I: Chế độ cháy này chiếm ưu thế khi nhiệt độ bao quanh hạt
thấp và kích thước hạt nhỏ, khi đó tốc độ cháy sẽ được điều khiển hoàn toàn bởi tốc
độ phản ứng trên bề mặt hạt. Khi đó tốc độ khuếch tán của oxi nhanh hơn nhiều so
với tốc độ cháy, nồng độ oxi bao quanh hạt và bên trong lớp biên của hạt bằng nhau
và bằng nồng độ oxi bên ngoài. Sự cháy vùng I xảy ra tại một tốc độ tổng thể bằng
với sản phẩm của tốc độ cháy bên trong, được ước lượng tại nồng độ khí oxi bên
ngoài, và tổng diện tích mặt trong. Đường kính hạt cốc được coi là hằng số và khối
lượng riêng của hạt giảm liên tục (cháy đường kính hạt không đổi).
- Zone II – Chế độ II: Trong vùng II tốc độ cháy được quyết định bởi tổ hợp của
các hiệu ứng khuếch tán oxi (cả vào bên trong và xung quanh hạt) và tốc độ độ cháy
bề mặt. Đây là chế độ thường diễn ra trong các quá trình cháy than. Sự cháy ở vùng
II diễn ra với sự xâm nhập một phần của khí oxi, kết quả là sự thay đổi đồng thời
của đường kính và khối lượng riêng của hạt khí các lỗ gần bề mặt hạt và mặt ngoài

hạt bị oxi hóa. Tỉ số giữa tốc độ cháy thực tế so với tốc độ cháy tối đa có thể nếu
toàn bộ hạt chịu áp suất cục bộ của khí oxi tại bề mặt ngoài của hạt được gọi là hệ
số hiệu suất.
- Trong vùng III tốc độ cháy bề mặt nhanh hơn nhiều do oxi không xâm nhập
hiệu quả vào bên trong hạt trước khi phản ứng. Đây là sự cháy khuếch tán bị giới
hạn. Vùng III cháy ở nhiệt độ cao (tăng tốc độ cháy bề mặt) và kích thước hạt lớn
(giảm thông lượng khuếch tán phần tử bề mặt). Tốc độ cháy được xác định bởi
thông lượng khuếch tán oxi qua lớp biên hạt. Khối lượng riêng của hạt không đổi
khi cháy và kích thước hạt giảm liên tục khi khối lượng hạt bị lấy đi duy nhất từ bề
mặt hạt (cháy khối lượng riêng hạt không đổi).
Mô hình cháy ở vùng I và vùng III đơn giản là các giới hạn của các điều kiện ở
quá trình cháy vùng II.
12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Than nghiền đạt chuẩn thương mại cần có trên 70% khối lượng các hạt than có
kích thước nhỏ hơn 74μm và dưới 2% có kích thước trên 300 μm. Với kích thước
nhỏ cùng nhiệt độ cao trong lò, hạt cốc thường sẽ cháy ở vùng II với sự kết hợp
điều khiển của khuếch tán và tốc độ phản ứng. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng
vào áp suất riêng phần của oxi thường được biểu diễn bởi một luật năng lượng, sinh
ra một biểu thức tốc độ tham chiếu tới biểu thức động học tường minh bậc n của
Arrhenius:

2
/
,
p
E RT
n

Os
w Ae P
−
=

(2.15)
Với
w

bằng tốc độ cháy tức thời của hạt chia cho diện tích mặt ngoài của nó
(
2
p
d
π
=
) và luôn được biểu diễn bằng đơn vị kg/(m
2
s). Theo phân tích các phản ứng
trong các chất xúc tác dạng xốp lý tưởng hóa được báo cáo lần đầu tiên bởi Thiele
năm 1939, trong sự cháy vùng II năng lượng hoạt hóa E và bậc phản ứng n xuất
hiện trong (2.15) có thể liên hệ tới các tham số động học thực tế và ẩn như
int
/2EE=
và n = (m+1)/2 với E
int
là năng lượng hoạt hóa ẩn và m là bậc phản ứng
ẩn. Năng lượng hoạt hóa ẩn của sự oxi hóa cacbon hoặc cốc được xác định xấp xỉ
bằng 180 kJ/mol và bậc phản ứng ẩn được đo (ở các nhiệt độ trung bình) là nằm
trong khoảng 0.6 – 1.0. Smith đã hiệu chỉnh dữ liệu oxi hóa cho các loại cacbon

khác nhau, bao gồm các hạt cốc xốp và cacbon không thấm nước như bồ hóng để
nhận được biểu thức sau cho các động học oxi hóa cốc ẩn với áp suất riêng phần của
oxi là 101 kPa:

179.4
3050expw
RT

= −



(2.16)
Vì sự biến thiên trong các bậc phản ứng được suy diễn với các dữ liệu thực nghiệm
khác nhau và loại cacbon, một biểu thức chung cho tốc độ động học bao gồm sự
phụ thuộc của oxi không thể được xác định.
Trong thực tế, sự oxi hóa bề mặt hạt diễn ra thông qua sự hút bám oxi, giải phóng
tức thời một phân tử cacbon monoxit hoặc cacbon đioxit hoặc hình thành một sự
phức tạp bề mặt ổn định oxi mà có thể thoát ra muộn hơn như CO hoặc CO
2
. Nhiều
loại cơ chế phản ứng nhiều bước được đưa ra để mô tả quá trình này, nhưng thông
tin thực nghiệm và lý thuyết sẵn có tới nay không đủ để xác định bất kỳ cơ chế oxi
hóa bề mặt nào với mức độ tin cậy có thể chấp nhận được.

2.3. SỰ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI
2.3.1. Ảnh hưởng môi trường của các khí thải
Phản ứng cháy than là nguồn lớn sinh khí CO
2
. Đã có nhiều nghiên cứu liên quan

đến vấn đề ảnh hưởng môi trường của CO
2
từ lò cháy than. Trong nghiên cứu này
không đề cập đến vấn đề này mà chỉ quan tâm đến các khí thải chính khác, bao gồm
13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

các oxit của nitơ NO
x
, các oxit của lưu huỳnh SO
x
và các phần tử rắn nhỏ trong khói
của lò (muội than).
2.3.1.1. Các oxit của nitơ NO
x


Hình 2.5: Cấu trúc các oxit nitơ.
Theo số liệu của cơ quan thông tin năng lượng Mỹ EIA, một lò đốt than nhà máy
nhiệt điện trung bình thải ra 10300 tấn oxit của nitơ mỗi năm. Các oxit của nitơ khi
thải ra môi trường gây ra vấn đề về ozone mặt đất [1, p410-416], tức ozone không
được phát thải trực tiếp mà được tạo ra gián tiếp qua phản ứng của NOx với các hợp
chất hữu cơ bay hơi dưới sự có mặt của ánh mặt trời. Ảnh hưởng sức khỏe của các
khí này bao gồm: phá hủy mô của phổi, làm tăng khả năng bị bệnh hô hấp như hen
suyễn, giảm khả năng nhìn, gây sinh non,…[2] Có thể hạn chế phát thải NOx ở lò
cháy than bằng cách sử dụng công nghệ làm giảm không xúc tác có chọn lọc
(Selective non-catalytic reduction - SNCR) hoặc công nghệ làm giảm có xúc tác có
chọn lọc (SCR). Một nhà máy sử dụng các công nghệ trên có thể giảm mức phát
thải NO

x
xuống còn 3300 tấn mỗi năm (theo EIA).
2.3.1.2. Các oxit của lưu huỳnh SO
x


Hình 2.6: Cấu trúc các oxit lưu huỳnh.
14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các nhà máy nhiệt điện sử dụng than là một trong nhữn nguồn SO
x
chính. Trung
bìnhmột nhà máy phát thải 14100 tấn SO
x
(theo EIA). Các oxit của lưu huỳnh gây ra
mưa axit gây hại cho mùa màng, phá hủy đất, phá hủy rừng, axit hóa ao hồ sông suối.
SO
x
còn gây ra vấn đề về sức khỏe khi các phần tử axit chúng gây ra thâm nhập vào
máu qua phổi [2]. Một nhà máy với công nghệ kiểm soát tốt SO
x
như lọc tách lưu
huỳnh ở ống khói có thể giảm lượng phát thải hàng năm xuống còn 7000 tấn.
2.3.1.3. Muội than

Hình 2.7: Sự hình thành và cấu trúc muội than.
Muội than là các phần tử rắn có thành phần chủ yếu là hydro cacbon thơm đa vòng
với hàm lượng cacbon cao, kích thước cỡ 5-700 nm và được tạo ra trong ngọn lửa

qua nhiều phản ưng phức tạp. Các hạt muội than này có thể gây viêm phế quản, hen
suyễn, cản trở thị giác và chết non ở trẻ sơ sinh [2]. Nhà máy nhiệt điện trung bình
phát thải 500 tấn muội than vào không khí (theo EIA), tuy nhiên nếu ống khỏi được
lắp bộ lọc có thể giảm thiểu được 99% phát thải các phần tử rắn này.

2.3.2. Sự hình thành và suy giảm NO
x
Hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết đều tập trung vào sự hình thành
NO, đây là sản phẩm NO
x
chính trong quá trình cháy. Ngoài ra một số ít nghiên cứu
mới đây quan tâm đến NO
2
và N
2
O, đặc biệt với các phẳn ứng cháy ở điều kiện áp
suất cao [1].
Với quá trình cháy ở cấp độ phân tử trong ngọn lửa, sự hình thành NOx do 4 quá
trình động học:

- Hình thành NO
x
nhiệt: từ oxi hóa N
2
trong không khí, xảy ra khi ô xi và nitơ
trong không khí kết hợp kết hợp nhau ở nhiệt độ cao trong môi trường nghèo nhiên
liệu.
- Hình thành NO
x
nhiên liệu: oxi hóa Nitơ trong nhiên liệu ở nhiệt độ cao và điều

kiện nhiều Oxy. Xảy ra khi liên kết nitơ trong nhiên liệu kêt hợp với oxi dư trong
không khí với trung gian thường là HCN và NH
3
, sản phẩm là NO trong vùng
nghèo nhiên liệu và N
2
trong vùng giàu nhiên liệu.
- Hình thành NO
x
tức thời: phản ứng nhanh ở bề mặt ngọn lửa (cho
hydrocacbon). Tạo thành bởi phản ứng của nitơ khí quyển và hydrocarbon trong
15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

nhiên liệu ở nhiệt độ thấp và điều kiện giàu nhiên liệu. Thường được bỏ qua vì chỉ
hình thành ở vùng rất giàu nhiên liệu và có giá trị rất nhỏ.
- Hình thành NO
x
trung gian: oxi hóa N
2
qua trung gian N
2
O.
Sau khi hình thành trong lò, các oxit của Nitơ có thể lập tức bị mất đi một phần. Sự
suy giảm này xảy ra theo 2 cơ chế chính là cơ chế cháy lại và SNCR (cơ chế suy
giảm NO
x
không xúc tác) do tác dụng của NO với Hydrocacbon và ammoniac

2.3.2.1. Sự hình thành NO nhiệt
[4] Ở nhiệt độ trên 1800K, đây là cơ chế chủ đạo trong hình thành NO
x
. Ở nhiệt
đột cao, trong buồng đốt xuất hiện nhiều gốc tự do O và N, các gốc này tác dụng
với nhau tạo thành NO theo cơ chế 2 bước đưa ra bởi Zeldovich:

2
2
O N N NO
N O O NO
 →
++
← 
 →
++
← 
(2.17)
Tốc độ của 2 phản ứng trên được xác định bởi:

38370
11
1
3162
9
2
1.8 10
6.4 10
T
T

ke
ke
−
−
= ×
= ×
(2.18)
Ngoài ra, nếu phản ứng xảy ra ở điều kiện không cân bằng số mol lớn, NO còn
được tạo ra theo phản ứng:

N OH H NO
 →
++
← 
(2.19)
Với tốc độ phản ứng k = 3,0 . 10
13
Từ phương trình đầu tiên có thể thấy, sự hình thành NO tăng khi oxi tập trung
nhiều. Các hệ số tốc độ phản ứng cho thấy hình thành NO nhiệt phụ thuộc nhiều
vào nhiệt độ (ở nhiệt độ >2200K, hệ số hình thành NO tăng gấp đôi mỗi khi tăng
nhiệt độ 90K), nhưng độc lập với loại nhiên liệu. Ở trên 1900 oC, nhiệt độ càng cao
và càng giàu O
2
, lượng NO hình thành càng tăng vọt.

2.3.2.2. Sự hình thành NO
x
nhiên liệu
NO
x

nhiên liệu là một bộ phận quan trọng của phát thải NO
x
khi cháy dầu nặng
và than, với N tồn tại ở dạng dị vòng. Sự hình thành NO
x
từ Nitơ nhiên liệu phụ
thuộc vào đặc tính của sự cháy và sự tập trung các hỗn hợp Nitơ. Các hỗn hợp có
Nitơ được giải phóng ở pha khí khi các phần tử nóng tới nhiệt độ hóa hơi. Từ sự
phân rã nhiệt của các chất này, các gốc như HCN, NH
3
, N, CN và NH được tạo
thành và chuyển thành NO. Các nghiên cứu về biến đổi Nitơ nhiên liệu đưa ra nhiều
cơ chế khác nhau để giải thích sự tạo thành NO; tuy nhiên, có sự đồng thuận cao
rằng Nitơ trong nhiên liệu trải qua quá trình biến đổi trung gian thành hydrox
cyanide HCN hoặc amoniac NH3 sau đó bị oxi hóa tạo NO hoặc bị khử tạo N
2
. Với
mỗi trung gian HCN và NH
3
, Có 2 kịch bản cho sự chuyển hóa Nitơ nhiên liệu
16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

trong đó tùy theo việc Nitơ trong than rắn (Char N) và Nitơ trong các chất bay hơi
(Volatile N) chuyển hóa thành HCN hay NH
3
mà cơ chế phản ứng khác nhau. Khó
có thể nói được kịch bản nào chiếm ưu thế cho mỗi loại.
Hai kịch bản cho trung gian HCN:

- N trong than và N bay hơi đều chuyển hết thành HCN:

- N trong than chuyển trực tiếp thành NO, N trong chất bay hơi chuyển thành
HCN (sinh ít NO hơn kịch bản 1)

Hai kịch bản cho trung gian NH3:
- N trong than và N bay hơi chuyển hết thành NH
3


- N trong than chuyển trực tiếp thành NO, N bay hơi chuyển thành NH
3
(sinh
nhiều NO
x
hơn kịch bản 1)



Với than non, sản phẩm trung gian chủ yếu là NH
3
, với than tốt, chủ yếu là HCN.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng nên đặt tỉ lệ NH
3
:HCN là 9:1 cho than non và 1:9 cho
than già.

17

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3.2.3. Sự hình thành NO tức thời
Lượng NO tức thời trong tổng lượng NO là nhỏ. Nghiên cứu về NO tức thời có
tác dụng bổ sung lí thuyết để làm rõ các cơ chế hình thành và suy giảm NO
x
có
nguồn gốc Nitơ khí quyển và Nitơ nhiên liệu.
Vẫn còn nhiều tranh cãi về việc hình thành NO
x
tức thời khi có ý kiến cho rằng NO
tức thời tạo thành từ phản ứng của gốc Hydrocacbon với Nitơ trong ngọn lửa, trong
khi các ý kiến khác cho rằng nguồn gốc của NO là phản ứng cảu Nitơ với lượng lớn
nguyên tử Oxy trạo ra trong ngọn lửa qua trung gian N2O.
Trong vùng ngọn lửa, từ Nitơ không khí tạo thành một lượng nhỏ CN. Ở vùng nhiệt
độ cao sau ngọn lửa, hợp chất CN này phản ứng tạo NO . Ngoài ra, trong phản ứng
cháy giàu nhiên liệu, vùng ngọn lửa sinh ra HCN là hợp chất bền, hợp chất này
tương tác với gốc OH cũng sinh NO tức thời.

2
2
2
2
CH N HCN N
N O NO O
HCN OH VN H O
CN O NO CO
+ ← → +
+ ← → +
+ ← → +
+ ← → +

(2.20)
Điều kiện môi trường của các phản ứng là nhiệt độ thấp, giàu nhiên liệu, thời
gian cư trú thấp. Trong thực tế, các điều kiện này đạt được ở bộ phận cháy bề mặt,
hệ thống cháy tầng, turbin gas.

2.3.2.4. Sự hình thành NO
x
trung gian
Để giải thích có chế hình thành NO từ Nitơ khí quyển, ngoài cơ chế trực tiếp như
cơ chế tạo NO
x
nhiệt, còn có cơ chế qua trung gian N
2
O.

22
2
2
N OM NOM
N O NO
+ + ← → +
+ ← →
(2.21)
Với M là nhân tố trung gian
Do phản ứng có nhân tố trung gian tham gia vào, phản ửng chuyển dịch theo
chiều thuận ở áp suất cao. Do cả 2 bước của quá trình đều có sự tham gia của gốc
Oxy tự do hình thành từ phân rã O
2
, phản ứng xảy ra dễ dàng hơn trong môi trường
dư Oxy.

Dưới điều kiện thuận lợi (áp suất cao và giàu Oxy), như trong buồng đốt turbine
khí hay động cơ khí nén, hoặc trong điều kiện đốt không có ngọn lửa, sự oxi hóa N
2

qua trung gian N
2
O có thể chiếm tối đa 90% lượng NO tạo thành. Trong các tuabin
và các động cơ nén, do việc kiểm soát nhiệt độ ngày càng được cải thiện, cơ chế
hình thành NO
x
nhiệt có xu hướng giảm và NO trung gian đã đạt mức 30% lượng
NO tạo thành. Trong quá trình cháy than, các điều kiện thuận lợi về áp suất và dư
Oxy không được đáp ứng nên cơ chế tạo NO qua trung gian không chiếm ưu thế.

18